基于太赫兹量子级联激光器的相关研究

太赫兹；半导体激光器；量子级联激光器；波导摘要：1.太赫兹技术简介2.半导体激光器的特点与应用3.量子级联激光器的工作原理与优势4.波导在太赫兹技术中的应用5.我国在太赫兹技术研究方面的发展与成果正文：1.太赫兹技术简介太赫兹技术，又称为亚毫米波技术或太赫兹波技术，是指工作在0.1THz 到10THz 频率范围内的无线电波技术。

太赫兹波位于红外线和微波之间，具有穿透力强、能量低、传输速度快等特点，被认为是未来光子学和电子学的重要发展方向。

在众多应用领域中，半导体激光器和量子级联激光器是太赫兹技术的重要组成部分，而波导则扮演着光子传输的重要角色。

2.半导体激光器的特点与应用半导体激光器是一种常见的激光器类型，具有体积小、效率高、光束质量好、寿命长等特点。

它通过电子和空穴的复合释放能量，从而产生激光。

半导体激光器广泛应用于光通信、光存储、激光雷达、生物医学等领域。

在太赫兹技术中，半导体激光器作为光源，为太赫兹波的生成和传输提供了基础。

3.量子级联激光器的工作原理与优势量子级联激光器（QCL）是一种半导体激光器，其工作原理是通过电子和空穴在量子阱中反复隧穿产生激光。

与传统半导体激光器相比，量子级联激光器具有更低的阈值电流、更高的输出功率、更小的体积等优势。

在太赫兹技术中，量子级联激光器由于其优越的性能，被广泛应用于太赫兹波的生成和放大。

4.波导在太赫兹技术中的应用波导是一种光波传输的器件，可以将光波限制在一定的空间范围内，并沿着特定的路径传输。

在太赫兹技术中，波导主要应用于太赫兹波的传输和调制。

波导可分为多种类型，如金属波导、光纤波导、液晶波导等，各种波导材料和结构在不同的应用场景下均具有独特的优势。

5.我国在太赫兹技术研究方面的发展与成果我国在太赫兹技术研究方面取得了显著的成果。

我国科研人员在太赫兹波的生成、传输、检测等方面进行了深入研究，并成功研制出一系列具有国际竞争力的太赫兹器件。

此外，我国政府也高度重视太赫兹技术的发展，将其列为国家重点支持的研发领域。

基于THz量子级联激光器和量子阱探测器的成像研究的开题报告一、研究背景与意义THz成像技术是开展肿瘤医学检测、化学分析、无损检测和安全控制等多个领域的重要手段。

近年来，THz量子级联激光器和量子阱探测器的出现对THz成像技术的提升起到了关键作用。

利用其高灵敏度和高速性能，对THz信号的采集和处理能力得到了快速提升。

目前，对基于THz量子级联激光器和量子阱探测器的成像研究还比较少，因此进行该方向的研究意义重大。

二、研究内容本课题将研究基于THz量子级联激光器和量子阱探测器的成像技术，主要内容包括：1. THz量子级联激光器和量子阱探测器的原理和结构。

2. THz成像中常用的成像技术，并分析各自的优缺点。

3. 利用THz量子级联激光器和量子阱探测器进行THz成像，分析其成像性能及其优越性。

4. 针对不同应用场景，优化THz成像系统的参数配置，探究成像效果的最优化。

三、研究方法本课题的研究方法主要包括实验和数值仿真两种：1. 实验：首先搭建THz量子级联激光器和量子阱探测器的实验平台，分析其性能特点和优劣；然后在实验平台上搭建THz成像系统，分析THz成像技术的成像分辨率、信噪比等性能指标。

2. 数值仿真：利用COMSOL Multiphysics软件建立成像系统模型，模拟不同参数配置下THz成像效果，分析参数对THz成像品质的影响，并对优化策略进行探究。

四、预期成果1. 获得THz量子级联激光器和量子阱探测器的性能参数。

2. 探究和比较THz成像技术的成像效果，并提出优化策略。

3. 建立THz成像系统模型，模拟不同参数配置下的成像效果，分析参数对成像品质的影响。

4. 对THz成像技术的应用场景进行分析和探讨，提出成像系统优化方案，为实际应用提供一定的参考依据。

五、可行性分析本课题的研究内容和研究方法都有较高的可行性，成像技术的应用价值受到广泛认可。

同时，硬件和软件技术的不断革新也为我们提供了丰富的工具和技术支持，加之实验平台所需仪器设备已具备，因此该课题具有充分的可行性。

太赫兹量子级联激光器注入区结构研究摘要：在本文中，我们研究了太赫兹量子级联激光器（THzQCL）注入区结构。

为了表征结构的性质，我们采用了量子结构方程与集质量积分（CMIF）理论对其进行了密集取样，探究了吸收特性、热损失和谐振器能量之间的相互影响。

结果表明，随着激光器腔宽度的增加，量子级联的谐振器存在明显的热泵效应，从而降低了激光器的增益预报值。

此外，当注入层参数改变时，激光器具有不同的增益谱宽。

本文研究的结果对于了解太赫兹量子级联激光驱动器的性能特征有重要指导意义。

关键词：太赫兹量子级联激光器；注入区结构；量子结构方程；集质量积分Introduction太赫兹量子级联激光器（THzQCL）是一种低功耗半导体激光器，其发出的太赫兹（THz）光量子能在千分之一的时间单位内从一个特定的原子中释放多达千级的光子。

因为它的体积小，功耗低，频率高，易于调节，它可以用于多种应用，包括计算机、医疗技术、军事电子、半导体测试等。

目前，太赫兹量子级联激光器的研究已经取得了很大进展，主要是基于不同的结构框架，比如量子点结构、量子线结构和量子池结构。

在太赫兹量子级联激光器中，注入区结构是非常重要的，它的运作可以直接影响激光器的特性，因此非常有必要研究THzQCL注入区结构。

本文的目的是研究THzQCL注入区结构的性质。

为了表征结构的性质，我们采用了量子结构方程与集质量积分（CMIF）理论对其进行了密集取样，探究了吸收特性、热损失和谐振器能量之间的相互影响。

Theoretical Analysis在太赫兹量子级联激光器（THzQCL）中，注入层结构起着非常重要的作用。

它可以控制激光器的谐振器模式和增益特性。

因此，在研究THzQCL的结构参数时，对注入层的研究尤为重要。

在本文中，我们使用量子结构方程（SCH）和集质量积分（CMIF）理论来研究THzQCL注入层结构。

量子结构方程是量子力学中用于解决多电子系统的重要工具，可以准确地描述和预测电子结构与相关性质。

第19卷 第2期 太赫兹科学与电子信息学报Vo1．19，No．2 2021年4月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Apr．，2021文章编号：2095-4980(2021)02-0193-08量子级联激光器的热管理研究进展张泽涵a,b，蒋 涛a,b，湛治强a,b，王雪敏*a,b，罗佳文a,b，彭丽萍a,b，樊 龙a,b，肖婷婷a,b，吴卫东a,b(中国工程物理研究院 a.等离子体物理重点实验室；b.激光聚变研究中心，四川绵阳 621999)摘 要：作为目前最重要的中远红外光源，量子级联激光器(QCL)因独特的性能和频率可拓展至太赫兹(THz)的特点，成为研究的热点。

对于QCL，影响其输出功率和工作温度的因素较多，其中高效散热是重要的因素。

首先对中红外和太赫兹两种QCL的热管理研究进行了归纳和总结；讨论和分析了两者之间的相似和不同点，主要讨论两种激光器固体侧散热的方法，包括有源区设计、改进工艺、优化器件材料体系等方面；最后，对QCL热管理的未来研究趋势进行了分析和预测。

该结果对于QCL的性能提升，特别是输出功率和工作温度的提高，具有一定的参考意义。

关键词：量子级联激光器；热管理；太赫兹；中红外中图分类号：TN248 文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2019390The progress of Quantum Cascade Lasers thermal managementZHANG Zehan a,b，JIANG Tao a,b，ZHAN Zhiqiang a,b，WANG Xuemin*a,b，LUO Jiawen a,b，PENG Liping a,b，FAN Long a,b，XIAO Tingting a,b，WU Weidong a,b(a.Science and Technology on Plasma Physics Laboratory；b.Research Center of Laser Fusion，China Academy of Engineering Physics，Mianyang Sichuan 621999，China)Abstract：As the most important mid-infrared source at present, Quantum Cascade Lasers(QCL) has become one of the research hotspots due to its unique performance and frequency that can be extended toterahertz(THz). For QCL, there are many factors affecting their output power and operating temperature,and efficient heat dissipation is an important factor. In this paper, the thermal management research of twokinds of QCL including mid-infrared and terahertz is summarized. Secondly, the similarities anddifferences between the two are discussed and analyzed. Two methods of heat dissipation on the solid sideof lasers are mainly discussed, including active areas design, processes improvement, and the optimizationof device material systems. Finally, the future research trends of thermal management of QCL are analyzedand predicted. This result has certain reference significance for the performance improvement of QCL,especially the improvement of output power and working temperature.Keywords：Quantum Cascade Laser；thermal management；terahertz；mid-infrared量子级联激光器(QCL)是一种基于量子阱子带间电子跃迁的单极性半导体激光器，其独特的子带间跃迁机制不同于其他激光器，波长的“人工剪裁”已成为其显著标签之一。

微系统所在太赫兹量子级联激光器研究方面取得进展
佚名
【期刊名称】《红外》
【年(卷),期】2011(32)10
【摘要】据www．sim．ac．cn网站报道，近日，中科院上海微系统所太赫兹固态技术院重点实验室在太赫兹（THz）量子级联激光器（QCL）研究方面取得进展。

【总页数】1页(PF0004-F0004)
【关键词】量子级联激光器;太赫兹;微系统;重点实验室;固态技术;sim;www;中科院【正文语种】中文
【中图分类】TP391
【相关文献】
1.生态环境中心"高效样品前处理技术研究"获"CAIA"奖一等奖/高能物理研究所发现一新共振态/固体物理研究所在"KDP"材料研究中取得重要成果/昆明植物研究所抗SARS化合物X-61研究取得新进展/周口店遗址附近发现"田园洞人"化石/兰州化学物理研究所离子液体研究水平达到了新的高度/兰州化学物理研究所在微生物研究领域获突破/上海分院封松林、徐军获第四届上海市自然科学牡丹奖/物理研究所全固态高功率宽调谐蓝光源的研制获重要进展/物理研究所提出一种新的量子点形成机制/物理研究所在SiC单晶生长方面取得重大进展/成 [J],
2.太赫兹量子级联激光器的研究进展 [J], ;
3.基于太赫兹量子阱探测器的太赫兹量子级联激光器发射谱研究 [J], 谭智勇;郭旭光;曹俊诚;黎华;韩英军
4.基于太赫兹量子级联激光器的实时成像研究进展 [J], 谭智勇;万文坚;黎华;曹俊诚
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太赫兹量子级联激光器原理
太赫兹量子级联激光器（THz-QCL）是一种基于半导体材料
原理的激光器，用于发射太赫兹频率的电磁辐射。

THz-QCL的工作原理可以简要描述如下：
1. 基于量子级联效应（quantum cascade effect），在激光器的
半导体晶体中，通过多层次的量子阱结构（quantum well structure）组成。

这些量子阱结构相互堆叠，每个结构都包含
与特定频率相对应的能带（band）。

2. 将电流通过半导体晶体，将电子注入到量子阱结构中。

在量子阱结构中，通过能带间的跃迁过程，电子会释放出能量并跃迁到低能带。

3. 在这个能带跃迁的过程中，电子会产生太赫兹频率的辐射。

这种辐射的频率取决于量子级联激光器的设计和结构。

4. 反射镜和光学腔（optical cavity）在半导体晶体的两端形成，使得光线在腔内来回传播，增强和放大了太赫兹辐射。

5. 当辐射受到足够的放大并达到临界值时，即可形成激光束。

这个临界值由激光器的电流和设计参数决定。

总的来说，太赫兹量子级联激光器通过量子结构、能带跃迁和光学腔等原理，实现了太赫兹频率的激光输出。

由于其在太赫兹频段的应用潜力，太赫兹量子级联激光器在无线通信、成像、生物医学和安防等领域有着广泛的研究和应用前景。

太赫兹量子级联激光器中有源区上激发态电子向高能级泄漏的研究李金锋;万婷;王腾飞;周文辉;莘杰;陈长水【摘要】利用热力学统计理论和激光器输出特性理论,建立了太赫兹量子级联激光器(THz QCL)有源区中上激发态电子往更高能级电子态泄漏的计算模型,以输出功率度量电子泄漏程度研究分析了晶格温度和量子阱势垒高度对电子泄漏的影响.数值仿真结果表明,晶格温度上升会加剧电子泄漏,并且电子从上激发态泄漏到束缚态的数量大于泄漏到阱外连续态,同时温度的上升也会降低激光输出功率.增加量子阱势垒高度能抑制电子泄漏,并且有源区量子阱结构中存在一个最优量子阱势垒高度.THz QCL经过最优量子阱势垒高度优化后,工作温度得到提升,其输出功率相比于以往的结果也有所提高.研究结果对优化THz QCL有源区结构、抑制电子泄漏和改善激光器输出特性有指导作用.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2019(068)002【总页数】6页(P35-40)【关键词】太赫兹;量子级联激光器;电子泄漏;有源区【作者】李金锋;万婷;王腾飞;周文辉;莘杰;陈长水【作者单位】华南师范大学信息光电子科技学院,广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室,广州市特种光纤光子器件与应用重点实验室,广州 510006;华南师范大学信息光电子科技学院,广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室,广州市特种光纤光子器件与应用重点实验室,广州 510006;华南师范大学信息光电子科技学院,广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室,广州市特种光纤光子器件与应用重点实验室,广州 510006;华南师范大学信息光电子科技学院,广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室,广州市特种光纤光子器件与应用重点实验室,广州 510006;华南师范大学信息光电子科技学院,广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室,广州市特种光纤光子器件与应用重点实验室,广州 510006;华南师范大学信息光电子科技学院,广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室,广州市特种光纤光子器件与应用重点实验室,广州 510006;江门珠西激光智能科技有限公司,江门 529000【正文语种】中文1 引言太赫兹(terahertz, THz)波是指频率为0.1—10 THz的电磁波, 具有安全性、宽带性、指纹谱特性和穿透性等特点, 被广泛应用于医学、通信和雷达等领域[1-6]. 太赫兹量子级联激光器(terahertz quantum cascade laser, THz QCL)是一种有效获得THz波的半导体激光器[7-10], 其利用半导体异质结在外加电压的情况下, 具有量子态级联的效果, 进而声子辅助电子共振使得电子从上一级到达下一级, 外部注入的单个电子可以发射出多个光子. 然而, 存在一部分电子在运输过程中会偏离输运路径, 直接降低激光器系统的粒子数反转, 使得激光器输出功率受限, 这部分电子被称为泄漏电子. 为了更好地提高激光器输出效率, 有必要对电子泄漏进行研究.电子泄漏主要分为三个方式: 一是电子从上激发态通过长纵声子散射到低能态; 二是电子从下激发态散射到高能束缚态和连续态; 三是电子从上激发态散射到高能束缚态和连续态. 在THz QCL中, 处于上激发态的电子向下激发态跃迁发光占据主导, 因此电子从上激发态通过长纵声子散射到低能态相对较小; 电子下激发态与高能束缚态和连续态的耦合强度低, 因此电子从下激发态散射到高能束缚态和连续态跃迁概率低; 而第三种泄漏方式中上激发态的电子是由上一周期的基态注入, 该状态下电子具有较高的不稳定性, 当温度升高时, 电子向更高能级泄漏概率大, 因此在高温的环境下, 电子从上激发态散射到高能束缚态和连续态是电子泄漏的主要途径. 目前, 大多数研究者都是通过间接测量来解释电子泄漏[11-16], 通过建立理论模型来分析的研究较少.本文利用热力学理论结合激光器输出特性, 建立电子从上激发态散射到高能束缚态和连续态的电子泄漏计算模型, 重点研究该模型中晶格温度和量子阱势垒高度对电子泄漏的影响, 进而找到抑制电子泄漏的有效措施来提高激光器输出功率.2 理论模型本节利用如图1所示的THz QCL能级结构[17]研究电子从上激发态泄漏到高能束缚态和阱外连续态的泄漏方式. 图中1, 2, 3, 4分别表示基态、3态的孪生态、下激发态、上激发态, 5和6表示近邻束缚态和次近邻束缚态, 7表示阱外连续态,1′表示上一周期的基态, 4′′表示下一周期的上激发态. 该能级结构由材料系统建造的量子阱形成, 发射的激光频率3.9 THz, h为普朗克常量, Eph=15.6 meV为光子能量; 有源区材料的声子能量 ELO=36.8 meV;能级参数39 meV分别表示7态与4态、6态与4态、5态与4态之间的能量差; J45 , J46 , J47 分别表示电子从4能态泄漏到5, 6, 7能态的泄漏电流密度. 该激光器系统是通过优化振子强度, 并采用斜跃迁形式发光, 能形成更大的粒子数反转, 具有一定的典型性. 在THz波的产生过程中, 电子从上一周期的1′态弛豫到达4态, 然后从4态跃迁到3态发射出THz光子, 接着3态和2态上的电子通过声子辅助共振到达1态, 随后进入下一级的4′′态. 在此过程中, 4态上的电子泄漏到5态、6态和7态造成电子泄漏, 导致电子利用率降低, 不利于激光器的粒子数反转, 进而影响激光器输出功率. 我们用激光器的输出功率值衡量电子泄漏程度, 半导体激光器输出功率 Pout 可以描述为[18]图1 THz QCL级联的能级结构Fig.1. Energy level structure of a single THz QCL cascade.式中hυ为发射光子的能量; q为电子电荷; αm 和αw 分别为镜面损失和波导损失; A为接触面积;η为内量子效应; J和 Jth 分别为注入电流密度和阈值电流密度. THz QCL发射的光子能量通常在2—40 meV之间[19], 这远比中红外QCL要小, 这种结构上的差异使得THz QCL中4态波函数与5态、6态和7态的波函数耦合更强, 4态上的电子不稳定性更大, 造成4态上的电子向更高能级泄漏成为主要的泄漏部分. 在激光的阈值条件下, 我们主要分析电子从4态泄漏到5态、6态和7态的泄漏模型,(1)式改为式中 Jesc 为总泄漏电流密度, 由4态电子泄漏到5态、6态和7态的泄漏电流密度 J45 , J46 , J47 相加得到, 即在没有电子泄漏且电子势能被完全转化为光能的情况下, 激光器的最大输出功率为为了更加清晰地看出电子泄漏对激光器输出功率的影响, 将(2)式进行归一化:由(3)式可知, 归一化的输出功率与泄漏电流密度 J45 , J46 , J47 有关, 接下来将对这三个参数进行分析. 先对4态上的电子泄漏到5态和6态对应的泄漏电流密度J45 , J46 进行分析. 设 j为高能束缚态( j=4,5 ), 当温度升高时, 4态上的电子能吸收足够的能量跃迁到子带 j, 在有限的能量空间中, 这种散射机制形成的电流密度可以表示为式中 1为电子从4态散射到子带 j的散射时间; D2D 为电子的二维面密度;为4态上电子的费米狄拉克分布统计; Te,4 为4态上的电子温度; TL 为晶格温度. 假设晶格温度等于测量温度TL 和 Te,4 的关系有电子-晶格耦合常数[20,21]. 对(4)式积分可得式中 n4 为4态上的电子浓度;分别为4态上电子泄漏到5态和6态的时间; kB 为玻尔兹曼常数.接下来对4态上的电子泄漏到7态对应的泄漏通电流密度 J47 进行分析. 由电子在能态上占据的时间与泄漏到该能态的电流密度之间的相互关系得式中τ47 为电子从4态散射到7态的时间. 电子的电荷 q乘以4态上的电子浓度n4 等于4态上的电荷浓度, 1 /τ47 表示电子从4态跃迁到7态的概率,因此(7)式的物理意义为4态上的电子泄漏到7态对应的泄漏电流密度. 它是一个与温度有关的函数, 该函数关系可由热激发模型得到[22]其中表示电子从4态散射到7态的电子数, 其中ℏ=为电子的有效质量, Tc 为电子泄漏到连续态总的限制因子[23]. 结合(7)式和(8)式可得将(5)式, (6)式和(9)式代入(3)式可以得到电子泄漏模型下的归一化输出功率表达式由(10)式可知, 激光器的输出功率与晶格温度和量子阱势垒高度密切相关, 在接下来的工作中将详细讨论这两个参数对激光器输出功率的影响.在激光系统中, 7态位于量子阱口, 为激光器系统最高的势能态, 我们用7态与4态之间的能量差E47作为量子阱势垒参数, 并在第3节中对参数E47最优值进行讨论与分析.3 结果与讨论本节将依据第2节建立的理论模型研究晶格温度和量子阱势垒高度对THz QCL电子泄漏的影响. 选取的仿真分析参数如下: 激光器发射频率为3.9 THz, 最高运行温度为186 K, 限制因子Tc=0.86[23], 电子-晶格耦合常数散射时间注入电流密度J=1000 A/cm2[17,24], 电子浓度等于掺杂浓度经过第2节的研究可发现, 晶格温度是影响电子泄漏的一个重要参数, 为解释电子泄漏的内在机制, 首先分析泄漏电流密度和晶格温度 TL 的关系,其关系曲线如图2所示. 由图2可知, 在186 K的晶格温度下, 电子从4态泄漏到5态、6态和7态的总泄漏电流密度为810 A/cm2, 模拟数值与文献报道的实验值吻合[17,24]. 从图2还可以看出, 当晶格温度从80 K增加到200 K时, 电子泄漏随着温度的增加而不断增大, 且在晶格温度增加的过程中电子主要是从4态泄漏到5态, 还可以看出电子从4态泄漏到5态和7态对温度的变化比较敏感,而泄漏到6态的数目相对较少. 出现该现象的原因是4态和5态之间的能级差等于39 meV, 该能级差与THz QCL 有源区选用的GaAs材料的辅助共振声子能量接近, 在这种环境下, 4态上的电子容易吸收一个声子的能量而跃迁到5态[25]. 由能级结构可知, 6态处于较高能级, 在量子阱中能级越高, 量子阱对电子所施加的势能就越低, 因此电子被该能态束缚的概率就越低, 当电子向量子阱上部泄漏时, 泄漏到量子阱较高束缚态的概率相对较低, 出现了电子泄漏到6态的数量少的现象.图2 泄漏电流密度与晶格温度的关系Fig.2. Relationship between leakage current density and temperature.然后研究在不同的泄漏通道下, 晶格温度TL的变化对输出功率 Pout/Pmax 的影响, 结果如图3所示, 红色、绿色和蓝色曲线分别表示4态电子泄漏到5, 6态(束缚态), 7态(连续态)以及5, 6, 7(束缚态以及连续态)态对输出功率的影响. 在考虑不同的泄漏情况下, 只把 J45 , J46 表达式代入(3)式,不考虑 J47 值影响, 便可得到4态电子泄漏到5,6态对功率的影响; 同理, 只将 J47 表达式代入(3)式, 不考虑 J45 与 J46 值的影响, 可得到 4 态电子泄漏到7态对功率的影响; 将 J45 , J46 与 J47 同时代入(3)式, 可得到4态电子泄漏到5, 6, 7态对功率的影响. 从图3可以看出, 随着晶格温度的升高, 归一化输出功率将不断降低, 而且电子从4态泄漏到5, 6态对输出功率的影响要比泄漏到7态显著, 由此也可反映出晶格温度的升高将加剧电子泄漏. 另外, 处于5, 6态和7态的电子不是稳定状态的电子, 随着温晶格度的增加, 电子热运动加剧,5, 6, 7态的电子有一部分继续向更高能级跃迁或是逃离有源区, 在这些过程中, 电子因运动与晶格产生碰撞, 致使晶格温度升高, 进一步恶化系统的温度特性和输出功率特性.图3 归一化输出功率与晶格温度的关系Fig.3. Relationship between normalized output power and lattice temperature.最后研究量子阱势垒高度参数 E47 对电子泄漏的影响. 图4模拟了不同晶格温度条件下输出功率随势垒参数 E47 的变化关系. 由仿真结果可知,在186 K温度附近,E47 最优值为130 meV, 该值与报道的原始结构值吻合[17,24], 进一步证明了本文计算模型的正确性. 从图4还得出, 在势垒高度较小的情况下, 归一化输出功率也相对较小; 当势垒在某一区间内增加时, 归一化输出功率呈现线性递增; 当势垒高度增加到某一临界值时, 归一化输出功率趋于稳定. 这是因为势垒高度过低时, 电子受到的束缚力低, 电子泄漏的数目多, 造成输出功率相对较低. 当势垒在某一区间内增加, 归一化输出功率呈现线性递增, 这说明电子泄漏得到了抑制,电子的利用率得到提高, 因此输出功率上升. 通过解量子阱有源区中的薛定谔方程, 可以得到能级的解, 薛定谔方程为式中 E为能态的解; ψ为对应能态的波函数;m∗(z)为有效质量, z为量子阱生长方向; V(z) 为量子阱势能参数; F(z) 为施加的电压参数. 当施加电压不变时, 量子阱势垒高度增加后, 通过数值求解薛定谔方程发现量子阱中的束缚态数目增多, 而从图3讨论的结果可知, 电子从4态泄漏到5, 6态(阱内束缚态)对激光器造成的负面影响比电子从4态泄漏到7态要大. 因此, 需要计算出一个最优的量子阱势垒高度, 该值应满足量子阱中的束缚态数目少、此时的势垒高度能有效地对电子泄漏进行抑制. 由图4可知, 当势垒高度增加到一定值时,归一化输出功率趋于稳定值, 定义当有激光输出时, 归一化输出功率首次到达这个稳定值时对应的势垒参数即为所求. 对文献[17]报道的THz QCL进行势垒高度的优化, 如图4所示, 将晶格温度设置在210 K 下, 模拟得出了对应的最优阱高参数E47= 185 meV, 同时用(2)式模拟得出该条件下的输出功率值为8 mW, 优化后取得的效果与最高186 K操作温度下实验报道的输出功率5 mW相比有所改善.图4 归一化输出功率与势垒高度参数的关系Fig.4. Relationship between normalized output power and barrier height parameters.4 结论利用热力学统计理论和激光输出特性理论, 建立了THz QCL有源区中上激发态电子往更高能级电子态泄漏的计算模型, 以输出功率来衡量电子泄漏程度, 研究了晶格温度和量子阱势垒高度对电子泄漏的影响. 研究发现, 晶格温度上升, 电子从上激发态泄漏到近邻束缚态和连续态的数量增加相对较多, 泄漏到次近邻束缚态的数量相对较小.同时, 电子泄漏导致电子向外部散发热量, 进一步加剧温度升高, 形成温度-电子泄漏的恶性循环, 相应地, THz QCL的输出功率会因温度的升高而降低, 影响THz QCL的正常运行. 适当增加量子阱势垒高度能够有效地抑制电子泄漏, 进而改善输出功率. 本文对THz QCL系统进行有源区势垒优化, 当量子阱势垒高度提高到185 meV时, 升高温度至210 K能得到THz QCL激光输出功率为8 mW, 改善了以往在最高186 K操作温度下得到的输出功率. 这些研究结果对研究THz QCL的电子泄漏温度特性和THz QCL有源区结构优化设计提供理论依据.参考文献【相关文献】[1] Sun Y W, Zhong J L, Zuo J, Zhang C L, Dan G 2015 Acta Phys. Sin.64 169701 （in Chinese） [孙怡雯, 钟俊兰, 左剑, 张存林, 但果 2015 物理学报 64 169701][2] Yardimci N T, Lu H, Jarrahi M 2016 Appl. Phys. Lett.109 191103[3] Wang S, Wang F Z 2018 Acta Phys. Sin.67 160502 （in Chinese） [王珊, 王辅忠 2018 物理学报 67 160502][4] Bing P B, Yao J Q, Xu D G, Xu X Y, Li Z Y 2010 Chin.Phys. Lett.27 124209[5] Zhang Z Z, Li H, Cao J C 2018 Acta Phys. 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